1. Podłoże
1. Definicja i funkcja
· Wsparcie fizyczne: Podłoże jest nośnikiem urządzenia półprzewodnikowego, zwykle okrągłego lub kwadratowego wafla pojedynczego kryształu (takiego jak wafel krzemowy).
· Szablon kryształowy: zapewnia matrycę do rozmieszczenia atomowego wzrostu warstwy epitaksjalnej, aby upewnić się, że warstwa epitaksjalna jest zgodna ze strukturą krystaliczną podłoża (homoepitaksjat) lub dopasowań (heteroepitaksja).
· Podstawa elektryczna: część podłoża bezpośrednio uczestniczy w przewodzeniu urządzenia (takiego jak urządzenia mocy na bazie krzemowe) lub działa jako izolator do izolacji obwodu (takiego jak substrat szafirowy).
2. Porównanie głównego nurtu materiałów podłoża
|
Przybory |
Cechy |
Typowe zastosowania |
|
Krzem (SI) |
Niski koszt, dojrzała technologia, średnia przewodność cieplna |
Zintegrowane obwody, MOSFET, IGBT |
|
Szafir (al₂o₃) |
Izolacja, odporność na wysoką temperaturę, niedopasowanie dużej sieci (do 13% z GAN) |
Diody LED oparte na Gan, urządzenia RF |
|
Węglik krzemowy (sic) |
Wysoka przewodność cieplna, wysoka wytrzymałość pola rozpadu, oporność w wysokiej temperaturze |
Moduły zasilania pojazdu elektrycznego, 5G stacji bazowej urządzenia RF |
|
Gallium Arsenide (GAAS) |
Doskonałe charakterystyka wysokiej częstotliwości, bezpośrednia luka pasma |
Układy RF, diody laserowe, ogniwa słoneczne |
|
Azotek gali (GAN) |
Wysoka mobilność elektronów, rezystancja wysokiego napięcia |
Szybkie adapter ładowania, urządzenia komunikacyjne fali milimetrowej |
3. Podstawowe względy wyboru podłoża
· Dopasowanie sieci: Zmniejsz wady warstwy epitaxial (np. Niedopasowanie sieci Gan\/Sapphire osiąga 13%, wymagając warstwy bufora).
· Dopasowanie współczynnika rozszerzania cieplnego: Unikaj pękania naprężeń spowodowanych zmianami temperatury.
· Kompatybilność kosztów i procesu: na przykład substraty krzemu dominują w głównym nurcie z powodu dojrzałych procesów.
2. Warstwa epitaksjalna
1. Definicja i cel
Wzrost epitaksjalny: odkładanie pojedynczego kryształowego cienkiego warstwy na powierzchni podłoża metodami chemicznymi lub fizycznymi, z układem atomowym ściśle wyrównanym z substratem.
Funkcje podstawowe:
- Poprawić czystość materiału (podłoże może zawierać zanieczyszczenia).
- Buduj heterogeniczne struktury (takie jak studnie kwantowe GAAS\/algaas).
- Izoluj wady substratu (takie jak defekty mikropełu na substratach SIC).
2. Klasyfikacja technologii epitaksjalnej
|
Technologia |
Zasada |
Cechy |
Odpowiednie materiały |
|
MOCVD |
Metalowe źródło organiczne + reakcja gazowa (taka jak TMGA + NH₃ w celu wygenerowania GAN) |
Nadaje się do złożonych półprzewodników, produkcji masowej |
Gan, Gaas, INP |
|
MBE |
Odkładanie warstwy wiązki molekularnej po ultra-wysokiej próżni |
Kontrola na poziomie atomowym, powolna stopa wzrostu, wysoki koszt |
Superlattice, kropki kwantowe |
|
LPCVD |
Rozkład termiczny gazu źródłowego krzemu (takiego jak sih₄) pod niskim ciśnieniem |
Technologia epitaksji silikonowej głównego nurtu, dobra jednolitość |
SI, Sige |
|
Hvpe |
Epitaksja fazy halogenowej w wysokiej temperaturze |
Szybkie tempo wzrostu, odpowiednie dla grubych folii (takich jak podłoża GAN) |
Gan, Zno |
3. Kluczowe parametry projektowania warstwy epitaksjalnej
- Grubość: od kilku nanometrów (studni kwantowych) do dziesiątek mikronów (epilayer urządzeń mocy).
- Doping: precyzyjnie kontroluje stężenie nośnika przez zakazania domieszkowania, takich jak fosfor (typ N) i bor (typ p).
- Jakość interfejsu: niedopasowanie sieci należy złagodzić przez warstwę buforową (taką jak GAN\/ALN) lub napięta superlattice.
4. Wyzwania i rozwiązania wzrostu heteroepitaksyjnego
- Niedopasowanie kraty:
- Warstwa buforu gradientu: stopniowo zmieniają skład z podłoża na warstwę epitaksjalną (taką jak warstwa gradientu Algan).
- Warstwa zarodkowania o niskiej temperaturze: wyhoduj cienkie warstwy w niskiej temperaturze w celu zmniejszenia naprężeń (takie jak warstwa zarodkowania ALN o niskiej temperaturze GAN).
- Niedopasowanie termiczne: Wybierz kombinację materiałów z podobnymi współczynnikami rozszerzalności cieplnej lub użyj elastycznej konstrukcji interfejsu.
3. Synergistyczne zastosowanie przypadki podłoża i epitaxy
Przypadek 1: LED z Gan LED
Podłoże: szafir (tani koszt, izolacja).
Struktura epitaksjalna:
- Warstwa bufora (ALN lub gan o niskiej temperaturze) → Zmniejsz wady niedopasowania sieci.
- Warstwa Gan typu N → Zapewnij elektrony.
- Ingan\/Gan Multi-Quantum Well → Warstwa emitującego światło.
- Warstwa Gan typu P → Zapewnij otwory.
Wynik: Gęstość defektów jest tak niska, jak 10⁸ cm⁻², a wydajność świetlisty jest znacznie poprawia.
Przypadek 2: SIC Power Mosfet
Podłoże: pojedynczy kryształ 4H-SIC (wytrzymanie napięcia do 10 kV).
Warstwa epitaksjalna:
- Warstwa dryfu SIC typu N (grubość 10-100 μm) → wytrzymaj wysokie napięcie.
- Region podstawowy SIC typu P → Tworzenie kanału kontrolnego.
Zalety: 90% niższe oporność niż urządzenia krzemowe, 5 razy szybsza prędkość przełączania.
Przypadek 3: Urządzenia GAN RF na bazie krzemu
Podłoże: Krzem o wysokiej oporności (niski koszt, łatwy do zintegrowania).
Warstwa epitaksjalna:
- Warstwa zarodkowania ALN → łagodzi niedopasowanie sieci między Si i Gan (16%).
- Warstwa bufora GAN → przechwytuje defekty i zapobiega ich rozciąganiu się na warstwę aktywną.
- HeterOjunkcja Algan\/Gan → tworzy kanał o wysokiej ruchliwości elektronów (HEMT).
Zastosowanie: wzmacniacz mocy stacji bazowej 5G, o częstotliwości ponad 28 GHz.
